（机械电子工程专业论文）现场总线技术应用及基于profibus与intranetinternet的网络监控系统的研究.pdf

北方交通大学硕士论文 中英文摘要 3 9 3 5 8 3 现场总线技术应用及基于p r o f i b u 5 与 i n t r a n e t i n t e r n e t 的网络监控系统的研究 于印泉 北方交通大学人机工程实验室 摘要： ( 现场总线是90 年代兴起的一种先进的工业控制技术，已经成为 工业控制领域研究的一个热点。由现场总线构成的控制网络j n f r a n e t 改变了传统控制系统的结构，使其向着阏络化、数字化的方向发展。 应用现场总线技术，可以把企业网络( i n t r s n e t ) 一直延伸到生产现场 或生产设备，为i n t r a n e t 与i n t r a n e t i n t e r n e t 的结合，实现远程 网络监控提供了可能。卜歹一 本文首先从产生背景、本质含义以及发展趋势等几个方面对现场 总线技术做了全面系统的分析，并具体介绍了几种典型的现场总线技 术，其中着重介绍了p k u f l b u s 现场总线，介绍了它的技术特点，并 分析比较了p r o f ib u s 较其它总线的技术优势及其在我国的应用前景， 从而得出选用f r d f i b u 5 的理论依据。随后还分析了应用p r o f i b u 5 现 场总线技术构成控制网络所要注意的问题，给出了几种实际应用中典 型的f r o f i b u 5 控制网络结构类型。 本文结合工程实例，详细论述了p i o f i b u 5 现场总线技术在自动 化控制工程中的应用过程。f 并在实验室条件下对该工程的系统结构配 置和硬件组态进行了相应的调整，构建了一个典型的p r o f i b u 5 分布 式控制网络，组成i n t r a n e t 。并应用s i m a t i cw i n c c ( v 5 0 ) 基本软件 包和w i n c cw e bn a v i g a t o r 组件开发了基于c l i e n t s e r v e r ( 客户机 服务器) 方式的网络监控系统，实现i n t r a n e t i n t r a n e t i n t e r n e t 的体系结构，这为今后对于网络监控系统的研究提供了一个可行的方 案。) 一、一 关键词：现场总线了网络监拭组态，控制系统，企业网。 北方交通大学硕l 论文 r e s e a r c ho fn e t w o r km o n i t o r s y s t e m b a s e do np r o f i b u s a n di n t r a n e t i n t e r n e tt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o no f a b s t r a c t ： f i e l d b u st e c h n o l o g y y u y i n q u a n e r g o n o m i c sl a b o r a t o r y o fn o r t h e r n j i a o t o n gu n i v e r s i t y f i e l d b u sisa na d w m c e di n d u s t r yc e n t r o lt e c h n 0 1 0 9 yr is i n g i nt h en i n e t i e s w h i c hh a sb e c o m eaf o c u si nt h ef i e l 【1o f i n d u s t r ye o n t r 0 1 t h ei n f r a n c t n a m e l vf i e l d b u sc o n tf o ls y s t o m c h a n g e d t h es t f u c t u f e0 ft t a d it i o n a c e n t f o is v s t e ma n dis 1 e a d i n gt h ew a y t ot h en e t w o r ka n dd i g i t a lc e n t r e l t h e a p p li c a t i o no t l f ie 1d b u sc a ne x t e n dt n t r a n e tt o p r e d u c t i o n f i e ld so re q u ip m e n t sd i f e e t l ya n dp r o v i d et h ef e a s i b i l i t yo f i n t e g r a t i n gi n f r a n e t a n dt n t r a n e t ，t h e nt e a i z et h er e m o t e n e t w e r kc e n t r e ls y s t e m t h is p a p e r a n a y z e st h ef i e l d b u st e c h n 0 1 0 9 y a c r o s st h e b o a r df i r s ta n dt h e ni n t r o d u c e ss e v e r a t y p ic a l f ie l d b u s t e c h n 0 1 0 9 y f r o mt h r e e a s p e c t s s u c ha sa r is e n b a c k g r o u n d ， e s s e n t i a ls ig n i f i c a t i o na n d d e v e l o p m e n lt r e n d m o r e n v m r ，i t in t r o d u c e st h et e c h n o o g ys p e c i a l t ie so fp r o f ib u sa n da r i a ly z e s t h e p r e d o m in a n c e a n da p p li e a t i o n f o r e g r o u n d o fp r o f jb u si n c h i n al h a ti st h ea c a d e m i cb a s eo f f i e l d b u s t y p ec h o e s i n g s u b s e q u e n t lyt h e p a p e r dis c u s s e saf o wis s d e st h a tc a nb e t h o u g h tw h i l ed e s i g n in gt h ec e n t r e lr e t w o r ka p p l y in gp r o f i b u s t e c h n 0 1 0 9 ya n dp r e s e n t ss e v e r a lt y p i c a lp r o r ib u sc e n t f o ls y s t e m m o d e l si n p r a c l i c e t h ep a p e rd i s c u s s e st h ea p p li c a tio no fp r o f i b u si nd e t a i1 c o m b i n e dw i t ht h ep r o l j e c te x a m p l ei p a r t ic i p a t ei n b ya d j u s t i n g t h es y s t e mslf u c t u r ec o n f l i g u r a t i o no ft h ep r o j e c t ，id e s i g na t y p ic a lp r o f i b u sd isl r i b u t e dc o n t f 0 1n e t w o r kt h a lt e m p o s e st h e i n f r a n e t w i t hs i m a i1 ( ：w in c c ( v 5 0 ) a n dw i n c cw e bn a v i g a t o r 2 北方交通人学硕l 论文 g r o u p w a r e id e v e l o pan e t w o r km e n it o ra n dc o n t r 0 1s y s t e mb a s e d o nc l i e n t s e r v e rm o d e l i nt h ei a s tt h es y s t e m a t ics t r u c t u r e o f i n f r a n e t i n t r a n el i n t e r n e tisr e a l jz e d i t p r o v i d e s a f e a s ib l es c h e m ef o rt h er e s e a r c ho fn e t w o r km o n i t o rs y s t e m k e vw e r d s f i e l d b u s ，n e t w o r km o n i t o r ，c o n f i g u r a t i o n ，c o n t r o ls y s t e m i n t r a n e t 北方交通大学硕士论文 0 1 问题的提出 绪论 网络技术的不断发展，i n t e r n e t 正在把全球的计算机系统、通信 系统逐步集成起来，形成信息高速公路，构成公用数据网络。当企业 看到i n t e r n e t 的巨大商业价值后，将局域网与j n t e r n e t 成功结合为 l n r a n e t ，使企业数据网络的发展和应用进入一个崭新的阶段。 现场总线是90 年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将当今 网络通讯与管理的观念代入工业控制领域。从本质上说，它是一种数 字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、 双向传输、多分支结构的通信网络，是控制技术、仪表工业技术和计 算机网络技术三者的结合，代表了今后工业控制体系结构发展的一种 方向。应用现场总线技术，可以把企业网络( i n t f a n e t ) 一直延伸到生 产现场或生产设备，它的出现改变了控制系统的结构，使其向着网络 化、数字化的方向发展，形成了另一类网络一现场总线控制网络一 j n t r a n e t 。 近几年现场总线控制网络得到了进一步的发展，因而l n l r a n e t 与n t r a n e t 的结合提上了日程，把基于现场总线的控制网络集成到 i n t r a n e t ，使现场控制信息进入m i s c i m s ，是远程网络监控的前提， 有利于进一步发挥m i s c i m s 系统的优势，实现实时的网络监控，进 而通过建立全企业的包括经营决策、管理信息、生产调度和网络控制 一体化的综合自动化系统，而达到提高企业经济效益和竞争能力的目 的。因此，对现场总线控制网络i n t r a n e t 的应用研究以及l n f r a n e t 与企业网i n t r a n e t 的集成的研究是一件值得重视和有意义的工作。 0 2 网络监控系统的国内外研究现状 网络监控是指本地计算机通过网络系统而实现的对远端生产过程 的监视和控制。能够实现远程监控的计算机软硬件系统称为远程监控 系统。现场总线系统接入i n t r a n e t i n t e r n e t ，在一定条件下，便可 通过i n t r a n e t i n t e r n e t 监视和控制这些生产系统和现场设备的运行 状况及各种参数，即不必亲临现场，通过网络实现对远程被控对象的 监视和控制，以节省大量的交通、人力。 北方交通大学硕士论文 在国外，对于网络监控的研究已经取得了一些成果，比较典型有 美国e c h e l o n 公司应用l o n w o r k s 现场总线技术开发了一个小型的实 验演示系统，用户可以通过t n t e r n e t 监控系统中的设备，如窗帘、 台灯的开度或亮度( o 1 0 0 ) 、壁灯的开关等。如图o - 1 所示： i n t e r n e t 客户可以通过网络任意控制系统中台灯的亮度，从灭全 亮。 图o le c h e l o n 实验演示系统t a b l el a m p 网络控制 另外，西门子公司用p r o f i b u s 现场总线技术也开发了一个类似 的网络监控系统，远程用户可以通过能与i e 浏览器集成到一起的 w i n c cw e bn a v i g a t o rc l i e n t 软件监控德国西门子公司的w i n c c 演示 项目，它采用的是典型的c 1 i e n t s e r v e r 的方式，w i n c c 服务器从 p r o f i b u s 现场总线控制网络i n f r a n e t 中采集信息并提供给远程网络 客户，以供访问和监控。图o 一2 显示了t h e r m or e a c t o r 的监控画面， 画面中用户可以控制闸门的关、闭以及p i d 参数的远程设定和修正。 在国内，1 9 9 8 年8 月，国内第一套现场总线控制网络系统由国家 电力公司热工研究院从美国f js h e r r o s e m o u n t 公司引进，该系统采用 p l a n tw e b t m 基于现场结构的最新技术，同时也是在中国第一次运用 ff 技术。这套系统已用于国内大中型火力发电厂汽轮机性能考核测 试，它包括一套d e l t a v 规模可变的过程控制系统、a m s 设备管理系统 及1 0 0 余套基于f f 技术的压力温度变送器。该项目的引进标志着我 北方交通大学硕士论文 国控制网络技术进入了一个新时代。此外，一些学校和研究机构也在 积极地进行这方面的研究，但到目前为止，还没有比较成熟的研究成 果。 图0 - 2t h e r m or e a c t o r 远程监控 0 3 本论文的主要工作 本文首先从产生背景、本质含义以及发展趋势等几个方面对现场 总线技术做了全面系统的分析，并具体介绍了几种典型的现场总线技 术，其中着重介绍了p k u p i b u s 现场总线，介绍了它的技术特点，并 分析 匕较了p n o l 。 l b u s 较其它总线的技术优势及其在我国的应用前景， 从而得出选用p n o f i b u s 的理论依据。随后在第三章分析了应用 h i t u f i b u 5 现场总线技术构成控制网络所要注意的问题，给出了几种实 际应用中典型的p i t o f i b u 5 控制网络结构类型为组建p n o f i b u 5 控制 网络提供了参考。 本文结合具体实例，详细论述了p r o f l b u s 现场总线技术在自动 化控制工程中的应用过程，包括系统工艺流程设计、控制方式和功能 设计、系统结构配置和硬件组态以及软件实现等几个主要方面。在该 项目中，本人主要参与了p n o f i b u 5 控制网络的结构选型和硬件组态 设计，并独立应用w l n c c 组态软件完成了中控室主监控站和发放塔监 北方交通大学硕士论文 控站人机交互监控画面的设计和开发。 最后，在实验室条件下对该工程的系统结构配置和硬件组态进行 了相应的调整，构建了一个典型的p k u 卜l b u s 分布式控制网络，组成 ln lr a n e t 。并应用s i m a t i cw i n c c ( v 5 0 ) 基本软件包和w i n c cw e b n a v l g a t o r 组件开发了基于c l i e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 方式的网 络监控系统，实现了i n t r a n e t 和i n t r a n e t i n t e r n e t 的集成。使得 i n t r a n e t i n t e r n e t 用户可以对本实验室摄像控制云台的焦距、光圈、 摆动及旋转角度、控制模式以及控制电源等一些开关量进行远程控 制。在此基础上只要根据实际需要对系统规模作相应的扩展，就可以 实现更加复杂的网络监控系统。 因此，结合工程实例，对p r u f i b u s 现场总线控制网络( i n f r a n e t ) 的应用进行研究，并在此基础上采用先进技术实现了i n t r a n e t i n t r a n e t i n t e r n e t 的体系结构，这为今后对于网络监控系统的研究 提供了一个可行的方案。 北方交通大学硕士论文 第一章现场总线技术概述 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换的领域 正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从 工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展， 引发了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基 础的企业信息系统。现场总线( f ie l d b u s ) 就是顺应这一形势发展起来 的新技术。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为 自动化领域的计算机局域网。它的出现标志着工业控制技术领域又一 个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。 1 1 现场总线技术的产生背景 1 1 1c i m s 体系结构及工业数据结构层次划分 根据工厂管理、生产过程及功能要求，c i m 5 体系结构可分为五层， 即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的c i m s 则分 为三层，即工厂级、车间级和现场级。在一个现代化工厂环境中，在 大规模的工业控制过程中，工业数据结构同样分为三个层次，与简化 的网络层次相对应，如图卜1 所示。 图卜i ：简化的c l b t s c i p s 网络体系结构 北方交通大学硕士论文 1 1 2 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统( 包括：基于 p o 、p l c 、d o s 产品的分布式控制系统) ，其主要特点之一是，现场层 设备与控制器之间的连接是一对一( 一个i o 点对设备的一个测控点) 的所谓i o 接线方式，信号传递4 2 0 m a ( 传送模拟量信息) 或 2 4 v d c ( 传送开关量信息) 信号，如图1 2 所示： 图卜2 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 1 1 3 系统的主要缺点 1 ) 信息集成能力不强：控制器与现场设备之间靠i o 连线连接， 传送4 2 0 m a 模拟量信号或2 4 v d c 等开关量信号，并以此监控 现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备 参数、故障及故障记录等数据难以得到。底层数据不金、信息 集成能力不强，不能完全满足c l m s 系统对底层数据的要求 2 ) 系统不开放、可集成性差、专业性不强：除了现场设备均靠标 准4 2 0 m a 2 4 v d c 连接，系统其他软、硬件通常只能使用一家 产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成 性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控 北方交通大学硕士论文 制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去， 因此，面向行业的监控系统很少。 3 ) 可靠性不易保证：对于大范围的分布式系统，大量的i 0 电缆 敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。 4 ) 可维护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线 故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设 备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护 性。 1 1 4 现场设备的串行通信接口是现场总线的原形 由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置 等现场设备智能化，即内置c p u 控制器，完成诸如线性化、量程转换、 数字滤波甚至回路调节等功能。因此，对于这些智能现场设备增加一 个串行数据接口( 如r s2 3 2 4 8 5 ) 是非常方便的。有了这样的接口，控 制器就可以按其规定协议，通过串行通讯方式( 而不是i o 方式) 完成 对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通讯 接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的 现场设备连接，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的 初始想法。 1 1 b 现场总线技术的产生 基于以上初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信 协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是i o ( 4 2 0 m a 2 4 v d c ) 信号，而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信 网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统。 1 2 现场总线技术本质含义 1 z 1 什么是现场总线 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双 向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信 的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动 化系统中具有广泛的应用。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们 各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞 线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规 北方交通大学硕士论文 范的协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表 与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实 际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变 成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、 共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它给自动化系统带来的变 化，正如众多分散的计算机被网络连在一起，使计算机的功能、作用 发生的变化。现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力，把它们 连接成网络系统，加入到信息网络的行列。因此把现场总线技术说成 是一个控制技术新时代的开端并不过分。 现场总线是z u 世纪8 u 年代中期在国际上发展起来的。随着微处 理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网 络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用 一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭 式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外部之间的信息交换， 使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实 施综合自动化( 如c i m s c i p s ) ，就必须设计出一种能在工业现场环境 运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成 现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生 产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应 运而生的。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场 智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及 其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息 孤岛创造了条件。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布式控 制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节 点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本 控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化 的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通 信、网络为主要内容的综合技术。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发 展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世 界的普遍关注。现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散 控制系统( d c s ) 、可编程控制器( p l c ) 在产品的体系结构、功能结构方 面的较大变革，自动化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一 次挑战传统的模拟仪表将逐步让位于智能化数字仪表，并具备数字 通信功能。出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器； 4 北方交通大学硕士论文 出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器；出现了带 控制模块和具有故障信息的执行器，并由此大大改变了现有的设备维 护管理方法。 1 2 2m a p 与现场总线 制造自动化协议m a p ( m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 是 2 u 世纪，u 年代末、8 u 年代初，由美国通用汽车公司g m 基于自动化 加工中心概念提出的一种适合于工业生产的开放式标准通信系统，是 用于制造自动化的局域网协议。由于它本身的技术特点和通用汽车公 司的市场垄断能力，很快赢得了许多厂商和用户对m a p 产品的支持。 用于解决自动化局域网中的数据通信问题。 m a p 是介质访问控制方式为令牌总线( t o k e nb u s ) 的宽带l a n ，其 规范是以i s o o s i 参考模型为基础的，符合l e e e 8 0 2 4 标准，所有智 能化设备可以通过一个统一的接口与该网络连接，以解决不同控制系 统与计算机系统之间的信息交换问题。据认为：当时采用宽带系统的 出发点是能把不同的应用集成起来，但m a p 作为宽带l a n 是不具备实 时性的。因为i s o o s i 协议为所有7 层都提供了高度的功能性，而满 足这些功能需要以降低通信流量和增大传输时间为代价。为了满足工 业控制所必需的实时性要求，出现了在i s o o s i 参考模型基础上进行 结构简化的模型一叭i l l m a f 。因此有人认为现场总线是m a p 的延伸 和扩充，是m a p 的简化。 1 3 1 z 3 现场总线技术的特点和优点 现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采 用一对一的设备连接，按控制回路分别进行连接。而现场总线系统由 于采用了智能现场设备，能够把原先u c 5 系统中处于控制室的控制模 块、各输入输出模块置于现场，加上现场设备具有通信能力，现场的 测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功 能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了 彻底的分散控制。 现场总线在技术上具有以下特点 2 ： 系统的开放性开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标 准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守 相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的 设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的 工厂底层网络的开放系统。用户可按照自己的需要和考虑，把来自不 北方交通大学硕士论文 同供应商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域 的开放互连系统。 互可操作性- 9 互用性互可操作性，是指实现互连设备问、系统问 的信息传送- 9 沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备 可实现相互替换。 现场设备的智能化- 9 功能自治性 它将传感测量、补偿计算、2 1 2 程量处理- 9 控制等功能分散到设备中完成，仅靠现场设备即可完成自 动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 系统的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统 的体系结构。从根本上改变了现有的d c s 集中- 9 分散结合的集散控制 系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 对现场设备的适应性可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、 电力线等，具有较强的抗干扰能力。 实时性由于现场总线多数只采用i s 0 o s i 模型的第1 、2 、7 层， 即物理层、数据链路层和应用层，简化了通信协议，所以具有较高的 实时性。 1 2 4 基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控及信息集成系 统 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统体系结构的简 化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护， 都体现出优越性。现场总线技术的发展促成新一代自动化监控系统 现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 的产生未来基于 现场总线技术的现场级与车间级自动化监控系统f c s 如图卜3 所示。 北方交通大学硕士论文 图1 3 基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控系统 1 z b 基于现场总线的自动化监控系统f o s 的主要优点： ( 1 ) 节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在现场的智 能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器 的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要d c s 系统 的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控机 i p c ( 1 n d u s t r j a lp c ) 作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可 以减少控制室的站地面积。 ( 2 ) 节省安装费用现场总线系统接线非常简单，一对双绞线或 一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用 量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加 现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上， 即节省了投资，也减少了设计、安装的工作量据有关典型试验工程 的测算资料表明，可节约安装费用6 u 以上。 ( 3 ) 节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处 理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送到控制室，用户 可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并 快速排除，缩短了时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了 维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂 北方交通大学硕士论文 商提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死” 了使用设备的使用范围，不会为系统集成了不兼容的协议、接口而一 筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性和可靠性由于现场总线设备的智能 化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确 度，减少了传送误差。同时由于系统的结构简化，设备与连线减少， 现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统工作可 靠性。 ( 6 ) 基于现场总线的自动化监控系统增强了现场级信息集成能力 现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂 自动化及c i m 5 系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它 不单纯取代4 z o m a 信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。 系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。 1 3 几种典型现场总线技术的由来、技术特性及现状 目前较流行的现场总线主要有以下几种：c a n ，l o n w o r k 5 ， p r o f l b u s ，h a r l ，p 。 i 3 i c a n ( 控制局域网络) ( 1 ) 由来 控制局域网络c a n ( c o n t r o 1 e ra r e an e t w o r k ) 是由德国b o s c h 公司为汽车的监测和控制而设计的，逐步发展到用于其它工业部门的 控制。目前已由i s o t c 2 2 技术委员会批准为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 通信 速率 到1 9 9 6 年已有2 6 0 0 家用户和厂家，遍及b 6 个国家和地 区，广泛应用于航空航天、楼字自动化、能源管理、工 厂自动化、农业控制、家庭自动化等。其范围十分广泛， 遍及各行各业。在其销售额中，4 0 是工业控制，3 0 是楼 宇自动化。 由lu 多个国家，1 4 u 个公司组成了l o nm a r k 互操作性协 会，负责定义、发展、确认产品的互操作标准。 e c h e l o n 公司于1 9 9 b 年1 2 月在北京成立了代表处，目前在 中国的应用占b 。 天津，u ，研究所在橡胶厂的硫化机群控系统、葡萄酒酿造 控制系统、楼宇自动化控制系统、水泥生产自动配料等中 成功地应用了l o n w o r k 5 。 2 0 北方交通大学硕士论文 1 3 3p r o f i b u s ( 过程现场总线) ( 1 ) 由来 1 9 8 ，年德国联邦科技部集中了l3 家公司的5 个研究所的力量， 按照i s o o s i 参考模型制订现场总线的德国国家标准，经过2 年多的 努力，完成了制订工作。于1 9 9 1 年4 月在d i n l 9 2 4 b 中发表，正式成 为德国现场总线的国家标准。最近，在欧洲又通过投票，成为欧洲的标 准e n b o i ，u 。在过程控制方面，由于缺乏适用于防爆区的解决方案和 过程自动化的标准功能模块，p r o f i b u s 的应用与推广迄今为止一直受 阻。拥有4 0 0 多个公司成员的p r o f i b u s 用户组织( p n o ) 于1 9 9 4 年为 填补以上空缺，推出了用于过程自动化的现场总线 p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) ，它引用了l e c 标准的物理层，从 而可以在有爆炸危险的区域内连接本质安全型，通过总线馈电的现场 仪表。这样使p r o f i b u s 趋于完善化。 ( 2 ) 技术特性 p r o f j _ b u s 引入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模 块。在一个确定的应用中，按照p r o fj _ b u s 规范未定义模块，写明其硬 件和软件的性能，规范设备功能与p r o f l b u s 通信功能的一致性。 p r o f i b u s 为开放系统协议，为了保证产品质量，在德国建立了p z l 信息 研究中心，对制造厂和用户开放，对其产品进行一致性检测和实验性 检测。 ( 3 ) 现状 p r o f i b u s 在欧洲己获得广泛应用，据调查在l g g b 年它赢得了 4 3 的德国市场，以及其它主要欧洲国家大约4 1 的市场。仅 在德国1 9 9 6 年l u 月1 9 9 。，年1 月就安装了4 7 0 0 0 个现场总 线系统，每一个包含1 1 1 4 个节点。 由于p l c 销售商对p r o p i b u s 的广泛支持，p r o p i b u 5 的应用将 会更广泛。目前p r o f i b u 5 在美国及其它国家正在广泛宣传， 在日本已于1 9 9 ，年2 月z 6 日成立了j p o ( 国际p r o f i b u 5 在日 本的分支机构) 。 1 9 9 。，年7 月3 日在中国机电一体化技术应用协会下成立了现 场总线( p r o f i b u s ) 专业委员会( 筹) ，简称c p o 。 p r o f i b u s 在我国已获得广泛应用，如上海杨树浦电厂、西安杨 森制药厂、云南玉溪卷烟厂、青岛啤酒厂、海尔冰箱生产线、 石家庄钢铁厂改造的3 0 0 m 3 高炉及五强溪水电站大坝溢洪闸 门集中控制等。 北方交通大学硕士论文 1 3 4 h a r t ( 可寻址远程传感器数据通路) ( 1 ) 由来 是由美国r o s e m o u n t 公司于1 9 8 h 年推出的通信协议，它在4 z o m a 的直流模拟信号上叠加了一个频率为f s k ( f r e q u e n c ys h i f t i n g k e y i n g ) b e l l 2 0 2 的数字通信信号，允许在同一线路上存在上述二种信 号而不相互影响。因此，它不属于现场总线，而是属于模拟系统向数字 系统过渡的一种产品。1 9 9 3 年成立了h a l n 通信基金会h c f 。有，u 多 家公司参加。 ( 2 ) 技术特性： 物理层：采用基于b e 儿2 0 2 通信标准的f s k 技术，即在4 z o m a d c 模拟信号上叠加f s k 数字信号，逻辑1 为1 2 0 0 h z ，逻 辑0 为2 2 0 0 h z ，波特率为1 2 0 0 b p s ，调制信号为0 b m a 或 u 2 b v p p ( 2 5 0 q 负载) 。用屏蔽双绞线单台设备距离3 0 0 0 m ， 而多台设备互连距离1 b o o m 。 数据链路层：数据帧长度不固定，最长趵个字节。寻地址为0 l b ，当地址为0 时，由处于4 2 0 m a d c 与数字通信兼容状态； 当地址为l 1 b 时，则处于全数字通信状态。通信模式为“问 答式”或“广播式。 应用层：规定了三类命令，第l 类是通用命令，适用于遵守 h a r l 协议的所有产品；第2 类是普通命令，适用于遵守h a l l 协议的大部分产品；第3 类是特殊命令，适用于遵守h a l l 协 议的特殊产品。另外，为用户提供了设备描述语言d d l ( d e v i c e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 。 ( 3 ) 现状 目前世界上h a h l 协议的产品仍在生产，但现场总线的产品大量 上市，而价格与之接近时，就会影响它的市场。1 9 9 y 年是p f 的h l 产 品全面推向市场的一年。时至今日，如果国内一些厂商还在致力于开 发h a l j 1 系列的产品，实属不智之举，如果确实需要，也可以购买h a l 1 技术，因为已经可以用很少的钱买到了。与其这样，倒不如集中精力 去开发p f 产品，或者为了那些目前正在现场使用的符合h ar i 协议或 者还是4 2 0 m a 的产品去开发转换成卜卜产品的芯片或接口，这样倒 更现实一些。 1 3 5f f ( 现场总线基金会) 现场总线 ( 1 ) 由来 北方交通大学硕士论文 现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 是一个国际性的协会组 织，因此是一个中性的、不以盈利为目的的机构，它致力于制订一个 符合i e c i s a 标准的国际现场总线并加速现场总线的实用化。它的前 身是以前国际上二大现场总线阵营l s l 与w o r l d f i p ，t 5 j 是相互可操 作系统协议( i n t e ro p e r a b l es y s t e mp r o t o c 0 1 ) 的简称，它基于德国 的f r o f i b u s 标准。l s p 成立于1 9 9 2 年9 月，有1 u u 多家公司参加， 保证给参加的公司以知识产权并支持建立现场总线产品。1 9 9 3 年2 月 又成立了i s pf o u n d a t io n 即l s p 基金会以支持实施l s p 。i s p 由f is h e r r o s e m o u n t 牵头：而w o r l d f l l o 是工厂仪表世界协议( w o r ldf a c t o r y i n s t r u m e n t a t io n p r o t o c 0 1 ) 的简称，它基于法国的f i p 标准，由 h o n e y w e 公司牵头。于1 9 9 4 年6 月i s p 与w o r l d f l p 合并，成立了现 场总线基金会。 ( 2 ) 技术特性： 卜卜体系结构参照i s o o s i 模型的第l 、2 、7 层，即物理层、数 据链路层和应用层，另外增加了用户层。 物理层p l ( p h y s i c a ll a y e r ) 。h 1 为用于过程自动化的低速总 线，波特率为3 1 2 5 k b p s ，传输距离19 0 0 m 2 0 0 m ( 取决于传输 介质) ，总线供电，提供本质安全型。h z 为用于制造自动化的 高速总线，波特率为1 o m b p s 7 5 0 m 或2 5 m b p s 5 0 0 m 。传输介 质为双线、同轴电缆、光纤和无线电。h l 每段节点数最多3 z 个，h z 每段节点数最多1 2 4 个，h l 与h z 之间通过网桥( b r i d g e ) 互连，拓扑结构：h i 为总线型或树型，h z 为总线型。 数据链路层d l l ( d a t al i n kl a y e r ) 。i ) l l 低层( 介质访问) 功能： 基本设备b d ( b a s i cd e v i c e ) 不能主动发起通信，只能接收查 询；链路主设备l m d ( l i n km a s t e rd e v ic e ) 在得到令牌时可以 发起一次通信；每个网段的l m d 中有一个链路活动调度器 l a s ( l i n ka c t i v es c h e d u l e r ) ，发起周期和非周期通信。d l l 高层( 数据传输) 功能：无连接数据传输，发行数据定向连接传 输，请求响应数据定向连接传输。 现场总线访问子层f a s ( f i e l d b u sa c c e s ss u b l a y e r ) 。f a s 提 供3 类服务：发布索取( p u b l i s h e r s u b s c r i b e r ) ，客户机 服务器( c l i e n t s e r v e r ) ，报告分发( r e p o r td i s t r i b u t i o n ) ， 这3 类服务被称为虚拟通信关系v c r ( v i r t u a lc o m m u n i c a t i o n r e l a t i o n s h i p s ) 。 现场总线报文规范f m s ( f i e l d b u s m e s s a g i n g s p e c i f ic a t i o n ) 。f m s 规定了访问应用进程a p ( a p p i c a t i o n 北方交通大学硕士论文 p r o c e s s ) 的报文格式及服务。f m 5 与对象字典o d ( o b j e c t d i c t i o n a r y ) 配